李昭宇

摘 要：柴油機冷卻系統(tǒng)是內(nèi)燃機車的重要組成部分，對降低燃油消耗率，減少輔助系統(tǒng)功率消耗、提高運行經(jīng)濟性、改善柴油機排放等方面具有重要意義。受到內(nèi)燃機車總體設備布局、軸重及輔助系統(tǒng)功率消耗等方面限制，冷卻系統(tǒng)的設計不僅需要考慮輕量化、結(jié)構(gòu)緊湊的散熱器，還要考慮高效的冷卻方式及控制策略。文中主要針對內(nèi)燃機車柴油機冷卻系統(tǒng)及控制方法進行分析與研究。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機車;柴油機;冷卻系統(tǒng);溫度控制;排放;燃油消耗率

1 現(xiàn)有內(nèi)燃機車柴油機冷卻系統(tǒng)及控制方法

1.1 冷卻系統(tǒng)

傳統(tǒng)的東風系列內(nèi)燃機車冷卻水系統(tǒng)由高溫水泵、低溫水泵、中冷器、機油熱交換器、散熱器、膨脹水箱等組成，冷卻氣缸套、氣缸蓋等柴油機高溫部件的系統(tǒng)為高溫冷卻水系統(tǒng)，冷卻機油和增壓空氣的冷卻水系統(tǒng)稱為低溫冷卻水系統(tǒng)，機車冷卻系統(tǒng)高、低溫散熱器一般呈前后布置， 高、低溫冷卻水系統(tǒng)各用一個冷卻風扇進行單獨控制。HXN3型內(nèi)燃機車冷卻系統(tǒng)與傳統(tǒng)東風系列內(nèi)燃機車冷卻水系統(tǒng)基本相同，區(qū)別是采用全封閉式加壓冷卻方式，將機油熱交換器的冷卻設置在高溫冷卻系統(tǒng)中，低溫冷卻系統(tǒng)僅為增壓空氣進行冷卻，進而使低溫水溫度不受機油溫度的影響。

1.2 控制方法

通過控制冷卻風扇電機轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)對柴油機冷卻水溫度的控制。傳統(tǒng)的溫度控制方法有PID閉環(huán)控制、閾值控制及模糊控制等。PID溫度閉環(huán)控制存在超調(diào)量大、滯后時間長等缺點。改進型的PID控制器，比如基于神經(jīng)網(wǎng)絡的自適應PID控制器及模糊PID控制器等，雖然可以在一定程度上解決超調(diào)量大、滯后時間長等問題，但其控制參數(shù)仍需要經(jīng)大量試驗進行調(diào)節(jié)和整定，實施難度較大。閾值控制法通過設定溫度、溫度差及溫度變化率等參數(shù)的閾值，當超過或低于這些閾值時，被控量按照一定的加、減速率加大或減少，該控制方法可保證溫度在設定范圍內(nèi)變化，但較難實現(xiàn)溫度的恒定控制。模糊控制是基于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論，其控制算法較為復雜，過程較為繁瑣、工作量大。

2 冷卻系統(tǒng)控制方法

2.1 冷卻水溫度對柴油機工作的影響

冷卻水溫度對柴油機運行的影響很大，冷卻系統(tǒng)的作用是使柴油機在各種工況下保持適當?shù)臏囟?。高溫冷卻系統(tǒng)直接影響柴油機發(fā)熱部件的溫度及熱應力，與柴油機可靠性直接相關(guān)。低溫冷卻系統(tǒng)影響柴油機的進氣溫度、進氣量和空燃比，進而影響柴油機的排放。當冷卻水的溫度過高，會導致機油因受熱黏度降低，各零部件潤滑部位的油膜因此被破壞或者減少，影響潤滑效果，甚至產(chǎn)生積碳、拉缸、零部件失效等問題;當冷卻水的溫度過低，會導致機油黏度增大，流動性能降低，影響潤滑性能，同時由于氣缸內(nèi)溫度低，氣缸壁內(nèi)表面還會附著少量水蒸氣，并與燃燒所產(chǎn)生的物質(zhì)反應腐蝕氣缸壁;當冷卻水溫度來回波動，雖然溫度在可接受范圍之內(nèi)，但是由于冷熱周期性頻繁變化，依然會對柴油機性能和可靠性產(chǎn)生影響。

2.2 冷卻水溫度控制策略

為了保證柴油機能在理想狀態(tài)下工作，避免冷卻水溫度過高或過低是冷卻水溫度控制的原則和目標。在如圖1所示的雙流道干式冷卻系統(tǒng)中，2 個冷卻風扇同時具備對高溫水和低溫水的冷卻功能，為了防止風路被部分短路，影響散熱效率，控制系統(tǒng)會通過變頻方式控制2個風扇電機以相同的轉(zhuǎn)速同步運行，高、低溫水溫度會隨著柴油機功率和冷卻風扇轉(zhuǎn)速的變化同步升高或下降?；谏鲜鲈恚敻邷厮疁囟然虻蜏厮疁囟雀哂谙鄳饎娱撝?，則控制2個冷卻風扇同時啟動至最低設定轉(zhuǎn)速;當高溫水溫度或低溫水溫度高于相應最高溫度閾值時，控制2個冷卻風扇同步升速到最高設定轉(zhuǎn)速，否則以高溫水溫度設定值為控制目標，通過基于高溫水溫度閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制方法，同步控制2個冷卻風扇運行。正常情況下，基于該冷卻水溫度控制策略，高溫水溫度始終被控制在設定目標值，低溫水溫度受不同環(huán)境溫度及柴油機負荷影響在一定的范圍內(nèi)變化。

3 雙流道干式冷卻系統(tǒng)及基于高溫水溫度閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制方法的應用

軟件優(yōu)化前采用閾值法控制的CKD9B型機車冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗曲線如圖2所示：橫軸為時間，單位s，上部分實線和虛線分別為柴油機檢測的高溫水溫度及機車控制系統(tǒng)檢測的高溫水溫度，在84～96℃之間變化，此時環(huán)境溫度為20℃;在此下方為柴油機轉(zhuǎn)速曲線，柴油機轉(zhuǎn)速從1560r/m 下降到惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速600r/m;中部與高溫水溫度以相同趨勢周期性變化的實線和虛線，分別是柴油機自身檢測的低溫水溫度和機車微機系統(tǒng)檢測的低溫水溫度，在42～55℃之間變化。2個冷卻風扇電機運行頻率在18～80Hz之間周期性變化。試驗數(shù)據(jù)表明冷卻風扇的調(diào)速性能差，當柴油機轉(zhuǎn)速和負載率不變時，高、低溫水溫度出現(xiàn)了周期約為300s、峰峰值約為12℃的等幅振蕩，柴油機的熱穩(wěn)定性不好，柴油機性能和可靠性會受到影響?；诟邷厮疁囟乳]環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制方法進行軟件優(yōu)化后的CKD9B型機車冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗曲線如圖3所示：試驗數(shù)據(jù)表明冷卻風扇的調(diào)速性能明顯改善，在環(huán)境溫度為20℃時，高溫水穩(wěn)定在90℃附近，低溫水溫度穩(wěn)定在48℃附近，很好的滿足了柴油機對高、低溫水溫度的要求。相對于改進前的軟件，優(yōu)化后的軟件使輔助逆變器輸出頻率平穩(wěn)變化，冷卻風扇的轉(zhuǎn)速波動大幅減小，很大程度上減少了系統(tǒng)沖擊，節(jié)約了輔助系統(tǒng)能源消耗。

參考文獻：

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